機械密封失效分析

目前機械密封在泵類產(chǎn)品中的應(yīng)用非常廣泛，而隨著產(chǎn)品技術(shù)水平的提高和節(jié)約能源的要求，機械密封的應(yīng)用前景將更加廣泛。機械密封的密封效果將直接影響整機的運行，尤其是在石油化工領(lǐng)域內(nèi)，因存在易燃、易爆、易揮發(fā)、劇毒等介質(zhì)，機械密封出現(xiàn)泄漏，將嚴重影響生產(chǎn)正常進行，嚴重的還將出現(xiàn)重大安全事故。

人們在分析質(zhì)量故障原因時，往往習慣在機械密封自身方面查找原因，例如：機械密封的選型是否合適，材料選擇是否正確，密封面的比壓是否正確，摩擦副的選擇是否合理等等。而很少在機械密封的外部條件方面去查找原因，例如：泵給機械密封創(chuàng)造的條件是否合適，輔助系統(tǒng)的配置是否合適，而這些方面的原因往往是非常重要的。

1、機械密封的原理及要求

機械密封是靠一對相對運動的環(huán)的端面A(一個固定，另一個與軸一起旋轉(zhuǎn))相互貼合形成的微小軸向間隙起密封作用，這種裝置稱為機械密封。

機械密封通常由動環(huán)、靜環(huán)、壓緊元件和密封元件組成。其中動環(huán)和靜環(huán)的端面組成一對摩擦副，動環(huán)靠密封室中液體的壓力使其端面壓緊在靜環(huán)端面上，并在兩環(huán)端面上產(chǎn)生適當?shù)谋葔汉捅３忠粚訕O薄的液體膜而達到密封的目的。壓緊元件產(chǎn)生壓力，可使泵在不運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，也保持端面貼合，保證密封介質(zhì)不外漏，并防止雜質(zhì)進入密封端面。密封元件起密封動環(huán)與軸的間隙B、靜環(huán)與壓蓋的間隙C的作用，同時對泵的振動、沖擊起緩沖作用。機械密封在實際運行中不是一個孤立的部件，它是與泵的其它零部件一起組合起來運行的，同時通過其基本原理可以看出，機械密封的正常運行是有條件的，例如：泵軸的竄量不能太大，否則摩擦副端面不能形成正常要求的比壓；機械密封處的泵軸不能有太大的撓度，否則端面比壓會不均勻等等。只有滿足類似這樣的外部條件，再加上良好的機械密封自身性能，才能達到理想的密封效果。

2、外部條件影響的原因分析

2.1泵軸的軸向竄量大

機械密封的密封面要有一定的比壓，這樣才能起到密封作用，這就要求機械密封的彈簧要有一定的壓縮量，給密封端面一個推力，旋轉(zhuǎn)起來使密封面產(chǎn)生密封所要求的比壓。為了保證這一個比壓，機械密封要求泵軸不能有太大的竄量，一般要保證在0.5mm以內(nèi)。但在實際設(shè)計當中，由于設(shè)計的不合理，往往泵軸產(chǎn)生很大的竄量，對機械密封的使用是非常不利的。這種現(xiàn)象往往出現(xiàn)在多級離心泵中，尤其是在泵啟動過程中，竄量比較大。

平衡盤工作時自動改變平衡盤與平衡環(huán)之間的軸向間隙b，從而改變平衡盤前后兩側(cè)的壓差，產(chǎn)生一個與軸向力方向相反的作用力來平衡軸向力。由于轉(zhuǎn)子竄動的慣性作用和瞬態(tài)泵工況的波動，運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子不會靜止在某一軸向平衡位置。平衡盤始終處在左右竄動的狀態(tài)。平衡盤在正常工作中的軸向竄量只有0.105～0.11mm，滿足機械密封的允許軸向竄量0.15mm的要求，但平衡盤在泵啟動、停機、工況劇變時的軸向竄量可能大大超過機械密封允許的軸向竄量。

泵經(jīng)過長時間運行后，平衡盤與平衡環(huán)摩擦磨損，間隙b隨著增大，機械密封軸向竄量不斷增加。由于軸向力的作用，吸入側(cè)的密封面的壓緊力增加，密封面磨損加劇，直至密封面損壞，失去密封作用。吐出側(cè)的機械密封，隨著平衡盤的磨損，轉(zhuǎn)子部件的軸向竄量大于密封要求的軸向竄量，密封面的壓緊力減小，達不到密封要求，Z終使泵兩側(cè)的機械密封全部失去密封作用。

2.2軸向力偏大

機械密封在使用過程中是不能夠承受軸向力的，若存在軸向力，對機械密封的影響是嚴重的。有時由于泵的軸向力平衡機構(gòu)設(shè)計的不合理及制造、安裝、使用等方面的原因，造成軸向力沒有被平衡掉。機械密封承受一個軸向力，運轉(zhuǎn)時密封壓蓋溫度將偏高，對于聚丙烯類的介質(zhì)，在高溫下會被熔融，因此泵啟動后很快就失去密封效果，泵靜止時則密封端面出現(xiàn)間斷的噴漏現(xiàn)象。

2.3泵軸的撓度偏大

機械密封又稱端面密封，是一種旋轉(zhuǎn)軸向的接觸式動密封，它是在流體介質(zhì)和彈性元件的作用下，兩個垂直于軸心線的密封端面緊密貼合、相對旋轉(zhuǎn)，從而達到密封效果，因此要求兩個密封之間要受力均勻。但由于泵產(chǎn)品設(shè)計的不合理，泵軸運轉(zhuǎn)時，在機械密封安裝處產(chǎn)生的撓度較大，使密封面之間的受力不均勻，導致密封效果不好。

2.4沒有輔助沖洗系統(tǒng)或輔助沖洗系統(tǒng)設(shè)置不合理

機械密封的輔助沖洗系統(tǒng)是非常重要的，它可以有效地保護密封面，起到冷卻、潤滑、沖走雜物等作用。有時設(shè)計員沒有合理地配置輔助沖洗系統(tǒng)，達不到密封效果；有時雖然設(shè)計人員設(shè)計了輔助系統(tǒng)，但由于沖洗液中有雜質(zhì)，沖洗液的流量、壓力不夠，沖洗口位置設(shè)計不合理等原因，也同樣達不到密封效果。

2.5振動偏大

機械密封振動偏大，Z終導致失去密封效果。但機械密封振動偏大的原因往往不是機械密封本身的原因，泵的其它零部件是?生振動的根源，如泵軸設(shè)計不合理、加工的原因、軸承精度不夠、聯(lián)軸器的平行度差、徑向力大等原因。

2.6泵汽蝕的原因

由于裝置系統(tǒng)操作不合理以及泵進口汽蝕性能不好、泵的轉(zhuǎn)速偏高，在泵的入口處發(fā)生局部汽蝕，汽蝕發(fā)生后，水中會有氣泡，它一方面會沖擊機械密封面的外表面，使其表面出現(xiàn)破損；另一方面會使動靜環(huán)的吻合面的流動膜中也含有氣泡，不能形成穩(wěn)定的流動膜，造成動靜環(huán)的吻合面的干摩擦，使機械密封裝置損壞。

2.7機械加工精度不夠

機械加工精度不夠，原因有很多，有的是機械密封本身的加工精度不夠，這方面的原因容易引起人們的注意，也容易找到。但有時是泵其它部件的加工精度不夠，這方面的原因，不容易引起人們的注意。例如：泵軸、軸套、泵體、密封腔體的加大精度不夠等原因。這些原因的存在對機械密封的密封效果是非常不利的。

3、應(yīng)采取的措施

3.1消除泵軸竄量大的措施合理地設(shè)計軸向力的平衡裝置，消除軸向竄量。

為了滿足這一要求，對于多級離心泵，比較理想的設(shè)計方案有兩個：一個是平衡盤加軸向止推軸承，由平衡盤平衡軸向力，由軸向止推軸承對泵軸進行軸向限位；另一個是平衡鼓加軸向止推軸承，由平衡鼓平衡掉大部分軸向力，剩余的軸向力由止推軸承承擔，同時軸向止推軸承對泵軸進行軸向限位。第二種方案的關(guān)鍵是合理地設(shè)計平衡鼓，使之能夠真正平衡掉大部分軸向力。對于其它單級泵、中開泵等產(chǎn)品，在設(shè)計時采取一些措施保證泵軸的竄量在機械密封所要求的范圍之內(nèi)。

3.2消除軸向力偏大的措施

合理地設(shè)計軸向力平衡機構(gòu)，使之能夠真正充分地平衡掉軸向力，給機械密封創(chuàng)造一個良好的條件。對于一些電廠、石油、化工等領(lǐng)域應(yīng)用的重要產(chǎn)品，在產(chǎn)品出廠之前，必須做到臺臺試驗檢測和發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。有些重要的泵可以在轉(zhuǎn)子上設(shè)計一個軸向測力環(huán)，對軸向力的大小進行隨時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時解決。

3.3消除泵軸撓度偏大的措施

這種現(xiàn)象大多存在臥式多級離心泵中，在設(shè)計時采取以下措施：

(1)減少兩端軸承之間的距離。泵葉輪的級數(shù)不要太多，在泵總揚程要求較高的情況下，盡量提高每級葉輪的揚程，減少級數(shù)。

(2)增加泵軸的直徑。在設(shè)計泵軸直徑的時候，不要簡單地僅考慮傳遞功率的大小，而要考慮機械密封、軸撓度、起動方法和有關(guān)慣性負荷、徑向力等因素。很多設(shè)計員沒有充分認識到這一點。

(3)提高泵軸材料的等級。

(4)泵軸設(shè)計完成后，對泵軸的撓度要進行校核檢驗計算。

3.4增加輔助沖洗系統(tǒng)

在條件允許的情況下，盡量設(shè)計輔助沖洗系統(tǒng)。沖洗壓力一般要求高于密封腔壓力0.107～0.11MPa，如果輸送介質(zhì)屬于易汽化的，則應(yīng)高于汽化壓力0.1175～0.12MPa。密封腔壓力要根據(jù)每種泵的結(jié)構(gòu)型式、系統(tǒng)壓力等因素來計算。軸封腔壓力很高時或者壓力幾乎接近該密封使用Z高極限時，也可由密封腔引液體至低壓區(qū)，使軸封液體流動以帶走摩擦熱。根據(jù)每種泵的操作條件，合理地配置管路和附件。如冷卻器、孔板、過濾器、閥門、流量指示器、壓力表、溫度等。實際上密封的可靠性和壽命，在很大程度上取決于密封輔助系統(tǒng)的配置。

3.5消除泵進口汽蝕的措施

(1)提高泵的汽蝕性能水平，滿足現(xiàn)場裝置的汽蝕性能的要求。

(2)現(xiàn)場試驗裝置的要求要與泵汽蝕性能水平匹配。

(3)現(xiàn)場安裝和工況調(diào)節(jié)要給泵創(chuàng)造有利的條件。

3.6消除泵振動的措施

(1)泵產(chǎn)品在設(shè)計過程中，要充分分析振動的來源，以消除振動源。

(2)泵產(chǎn)品的制造裝配過程中，嚴格按標準和操作規(guī)程去執(zhí)行，消除振動源。

(3)泵、電機、底座、現(xiàn)場管路等輔助設(shè)備在現(xiàn)場安裝時，要嚴格把關(guān)，消除振動源。

(4)現(xiàn)場生產(chǎn)、操作、維修、調(diào)節(jié)時，嚴格把關(guān)，消除振動源。

3.7嚴格執(zhí)行設(shè)計標準

泵產(chǎn)品的設(shè)計和機械密封產(chǎn)品的設(shè)計要執(zhí)行相關(guān)的國內(nèi)外標準，在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，設(shè)計員應(yīng)認真執(zhí)行標準，深刻理解標準每一條內(nèi)容的具體意義，將標準內(nèi)容的要求執(zhí)行到產(chǎn)品設(shè)計過程中。到目前為止，有很多設(shè)計員還沒有理解標準的實際含義，沒有嚴格地去執(zhí)行新標準，而是盲目地照搬照套老圖紙和老設(shè)計員的經(jīng)驗。這種做法對提高我國產(chǎn)品技術(shù)水平和進入市場是非常不利的。提高標準化認識，是目前機械行業(yè)設(shè)計員迫切需要解決的問題。

在設(shè)計泵用機械密封時，不僅要考慮機械密封本身的影響因素，而且要考慮機械密封外部的各種影響因素。在實際工作中要注意以下幾個問題：

(1)在泵產(chǎn)品的設(shè)計過程中要充分考慮到泵其它零部件以及現(xiàn)場其它設(shè)備對機械密封的使用效果的影響，為機械密封創(chuàng)造一個良好的外部條件。

(2)增加對機械密封輔助系統(tǒng)的重要作用的認識，盡可能配備完善的機械密封輔助系統(tǒng)，以提高密封效果。

(3)對重要泵產(chǎn)品的機械密封，要增加保護措施，提高密封質(zhì)量，減少密封質(zhì)量事故。

(4)分析機械密封的質(zhì)量事故的原因時，要充分考慮到泵的其它零部件對機械密封運行的影響，采取措施不斷提高機械密封的效果:

①彈簧壓縮量越大密封效果越好。其實不然，彈簧壓縮量過大，可導致摩擦副急劇磨損，瞬間燒損；過度的壓縮使彈簧失去調(diào)節(jié)動環(huán)端面的能力，導致密封失效。

②動環(huán)密封圖越緊越好。其實動環(huán)密封圈過緊有害無益。一是加劇密封圈與軸套間的磨損，過早泄漏；二是增大了動環(huán)軸向調(diào)整、移動的阻力，在工況變化頻繁時無法適時進行調(diào)整；三是彈簧過度疲勞易損壞；四是使動環(huán)密封圈變形，影響密封效果。

③靜環(huán)密封圈越緊越好。靜環(huán)密封圈基本處于靜止狀態(tài)，相對較緊密封效果會好些，但過緊也是有害的。一是引起靜環(huán)密封因過度變形，影響密封效果；二是靜環(huán)材質(zhì)以石墨居多，一般較脆，過度受力極易引起碎裂；三是安裝、拆卸困難，極易損壞靜環(huán)。

④葉輪鎖母越緊越好。機械密封泄漏中，軸套與軸之間的泄漏（軸間泄漏）是比較常見的。一般認為，軸間泄漏就是葉輪鎖母沒鎖緊，其實導致軸間泄漏的因素較多，如軸間墊失效，偏移，軸間內(nèi)有雜質(zhì)，軸與軸套配合處有較大的形位誤差，接觸面破壞，軸上各部件間有間隙，軸頭螺紋過長等都會導致軸間泄漏。鎖母鎖緊過度只會導致軸間墊過早失效，相反適度鎖緊鎖母，使軸間墊始終保持一定的壓縮彈性，在運轉(zhuǎn)中鎖母會自動適時鎖緊，使軸間始終處于良好的密封狀態(tài)。

⑤新的比舊的好。相對而言，使用新機械密封的效果好于舊的，但新機械密封的質(zhì)量或材質(zhì)選擇不當時，配合尺寸誤差較大會影響密封效果；在聚合性和滲透性介質(zhì)中，靜環(huán)如無過度磨損，還是不更換為好。因為靜環(huán)在靜環(huán)座中長時間處于靜止狀態(tài)，使聚合物和雜質(zhì)沉積為一體，起到了較好的密封作用。

⑥拆修總比不拆好。一旦出現(xiàn)機械密封泄漏便急于拆修，其實，有時密封并沒有損壞，只需調(diào)整工況或適當調(diào)整密封就可消除泄漏。這樣既避免浪費又可以驗證自己的故障判斷能力，積累維修經(jīng)驗提高檢修質(zhì)量。

（來源：網(wǎng)絡(luò)）